研究人員在腦機(jī)接口方面的新進(jìn)展

近日，science daily發(fā)布了一條關(guān)于新型腦機(jī)接口的新聞。研究人員又有了什么進(jìn)展呢?讓我們一起來看看吧。

概述

工程研究人員發(fā)明了一種具有靈活可模塑的背襯和穿透性微針的腦機(jī)接口，靈活的背襯可以讓設(shè)備更均勻地貼合大腦中復(fù)雜的曲面，使刺穿皮層的微針分布得更均勻。比人類頭發(fā)細(xì) 10 倍的微針從柔軟的背襯中伸出，穿透腦組織表面而不穿透表面小靜脈，并在皮質(zhì)的大片區(qū)域中均勻記錄來自附近神經(jīng)細(xì)胞的信號。

這種新穎的腦機(jī)接口已經(jīng)在嚙齒動(dòng)物身上進(jìn)行了測試，詳細(xì)信息 2 月 25 日在線發(fā)表在了《先進(jìn)功能材料》雜志上。這項(xiàng)工作由加州大學(xué)圣地亞哥分校電氣工程教授 Shadi Dayeh 實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)與波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授 Anna Devor 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員共同完成。

這種新的腦機(jī)接口與“猶他陣列”相當(dāng)并優(yōu)于“猶他陣列”。猶他陣列是現(xiàn)有的具有穿透性微針的腦機(jī)接口的黃金標(biāo)準(zhǔn)，已被證明可以用于中風(fēng)患者和脊髓損傷患者的治療。植入猶他陣列的人能夠使用他們的思想來控制機(jī)器人肢體和其他設(shè)備，恢復(fù)一些日常活動(dòng)，比如移動(dòng)物體。

用于多模式記錄的柔性基板(柔性基板上的 SiMNA)上的 32 通道硅微針陣列。

這種新發(fā)明的腦機(jī)接口非常靈活，可以重新配置，猶他陣列則恰好相反。新型微針陣列背襯的靈活性和一致性有利于大腦和電極之間緊密的接觸，可以更均勻地記錄大腦活動(dòng)信號。研究人員以嚙齒動(dòng)物為模型物種，證明了在持續(xù) 196 天的植入期間穩(wěn)定的寬帶記錄產(chǎn)生了強(qiáng)大的信號。

此外，軟背腦機(jī)接口的制造方式允許更大的傳感表面，這意味著設(shè)備可以同時(shí)監(jiān)測更大的大腦表面區(qū)域。在高級功能材料論文中，研究人員展示了一個(gè)具有 1024 根微針的穿透性微針陣列成功地記錄了由大鼠大腦的刺激觸發(fā)的信號。與目前已有的技術(shù)相比，這意味著過去十倍的微針和十倍的大腦覆蓋面積。

更薄和透明的背襯

軟背腦機(jī)接口比使用傳統(tǒng)玻璃背襯的腦機(jī)接口更薄更輕。研究人員在高級功能材料論文中指出，輕質(zhì)、柔韌的背襯可以減少與傳感器陣列接觸時(shí)帶來的對腦組織的刺激。

柔性背襯是透明的。研究人員提出，可以利用這種透明度來進(jìn)行涉及動(dòng)物模型的基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究。該團(tuán)隊(duì)展示了來自穿透微針陣列的同步電記錄以及光遺傳學(xué)光刺激。

1024-channel silicon microneedle array on flexible substrate (SiMNA on flex) for the detection of in vivo whisker air puff stimulation-evoked responses

雙面光刻制造

新型大腦傳感器背襯的靈活性、更大的微針陣列、可重構(gòu)性和透明性都?xì)w功于研究人員使用的雙面光刻方法。

從剛性硅晶片開始，該團(tuán)隊(duì)在剛性硅晶片的兩側(cè)構(gòu)建微觀電路和器件。首先，在硅晶片的頂部添加了一層柔韌的透明薄膜。在該薄膜中，嵌入了鈦和金的雙層跡線，使跡線與在硅片另一側(cè)的制造針的位置對齊。

在添加了柔性薄膜之后，所有的硅都被蝕刻掉了，除了獨(dú)立的、又薄又尖的硅柱。這些硅尖柱實(shí)際上就是微針，它們的底部與在硅被蝕刻掉后留下的柔性層內(nèi)的鈦金跡線對齊。這些鈦金跡線通過標(biāo)準(zhǔn)和可擴(kuò)展的微細(xì)加工技術(shù)圖案化，從而以最少的人工勞動(dòng)實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的生產(chǎn)。

邁向閉環(huán)系統(tǒng)

展望未來，研究者需要具有大空間覆蓋的穿透式微針陣列來改善腦機(jī)接口，使其可用于“閉環(huán)系統(tǒng)”，以幫助行動(dòng)嚴(yán)重受限的個(gè)體。比如，閉環(huán)系統(tǒng)可能給使用機(jī)械手的人提供關(guān)于機(jī)械手正在抓握的物體的實(shí)時(shí)反饋。

機(jī)械手上的觸覺傳感器會感知物體的硬度、質(zhì)地和重量。傳感器記錄的這些信息將被轉(zhuǎn)化為電刺激的形式，這些模式通過體外的電線傳輸?shù)綆в写┩感晕⑨樀哪X機(jī)接口。這些電信號將直接向人的大腦提供有關(guān)物體硬度、質(zhì)地和重量的信息。接下來，這個(gè)人會根據(jù)直接來自機(jī)械臂的感知信息來調(diào)整他們的抓握力。

這只是一種閉環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)例子，一旦穿透式微針陣列可以做得更大以適應(yīng)大腦并協(xié)調(diào)大腦“命令”和“反饋”中心的活動(dòng)，這種系統(tǒng)就有可能實(shí)現(xiàn)。Dayeh 實(shí)驗(yàn)室發(fā)明并展示了此類應(yīng)用所需的各種觸覺傳感器。

商業(yè)化途徑

本文所述的先進(jìn)雙面光刻微細(xì)加工工藝已獲得專利(US 10856764)。Dayeh 與人共同創(chuàng)立了 Precision Neurotek Inc.，以轉(zhuǎn)化其實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新技術(shù)，推進(jìn)臨床實(shí)踐中的最新技術(shù)水平，并推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

補(bǔ)充資料：上文中提到的專利(US 10856764)簡介

一種多電極共形穿透陣列的形成方法

優(yōu)選的共形穿透多電極陣列包括非常柔韌，符合皮質(zhì)組織使用條件的塑料襯底。多個(gè)穿透半導(dǎo)體微電極遠(yuǎn)離柔性襯底的表面，足夠堅(jiān)硬，因此可以穿透皮質(zhì)組織。電極線部分地封裝在柔性襯底內(nèi)，并電連接到多個(gè)穿透半導(dǎo)體微電極。穿透性半導(dǎo)體電極包括尖端金屬尖端。在這種創(chuàng)新的制造方法中，堅(jiān)硬的穿透電極放置在非常柔軟的襯底上，并通過電和襯底內(nèi)的電極線連接。

原文標(biāo)題：腦機(jī) | 具有靈活背襯的新型腦機(jī)接口

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審核編輯：湯梓紅